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新冠肺炎疫情趋势分析与预测

时间:2020-02-07 21:57:38

自2019年12月武汉市内首次发现不明病因肺炎病例以来,已将近三个月,到今天,全国确诊的新冠肺炎病例数超过24000例,死亡500例。面对大众普遍关心的热点问题,中科闻歌认知计算团队通过整理数据,构建分析和预测模型,给出新冠肺炎疫情趋势分析与预测,近日上线到闻海直播平台。



面对突如其来的传染病疫情,中央以及各级政府迅速行动,采取了一系列包括“封城”在内的防控措施。然而,目前疫情防控任务依然严峻,尤其是在未来的一周内,各地企事业单位逐渐复工,人口流动量增大,给全国疫情发展带来极大的不确定性。


在这篇文章中,我们尝试回答三个问题:第一,新冠肺炎病毒到底有多致命?第二,作为传染病,新冠肺炎目前的传播态势是怎么样的?是否还会在湖北以外的地方造成大面积的感染?第三,此次疫情还会持续多久?什么时候可以迎来拐点?

 

第一:新冠肺炎病毒到底有多致命?



我们近似地采用当前的肺炎死亡人数与确诊人数的比值来作为此次肺炎的致死率。基于卫建委公开的确诊和死亡人数,可计算得到武汉市、湖北省(武汉除外)、全国其他省份的新冠肺炎致死率在近两周时间内的变化趋势如图1所示:

 

图 1 新冠肺炎致死率趋势

 

可以发现,武汉市内的致死率(约5%)远高于湖北其他市(约1.4%)和全国其他省份(约0.16%),而且相对于后两者,致死率的波动较大。需要注意的是,1月27日武汉市的死亡率陡然下降的原因并不是死亡人数下降,而是确诊人数从1月26日的725人跃升至1月27日的1124人。假设湖北省(包括武汉市)的感染人群的分布情况与全国其他城市一致,那么我们可以推定,湖北省(尤其是武汉市)可能由于医疗资源极度紧张,而导致肺炎感染人数被严重低估。相信随着雷神山和火神山医院的投入使用以及全国各地医护人员的持续支援,这个问题能够得到有效缓解。

 

第二:新冠肺炎的传播态势如何?



基础再生数(Basic Reproduction Number)R0是描述传染病传播能力的重要指标,表示在没有任何防控条件下,一个病毒携带者平均可以感染多少个人。需要说明的是,R0的取值不仅和病毒的传播特性相关,而且还跟所在的社会环境、所采取的防控措施相关,也就是说R0在动态变化中。当R0大于1时,病毒就会爆发,造成大面积感染;反之当R0小于1时,疫情趋向缓和,最终成功被消灭。我们分别计算了武汉市、湖北省(除武汉以外)、全国(除湖北以外)近一周内R0变化情况,来进一步分析当前疫情的扩散能力(见图2)。


图 2 R0变化趋势

 

从图中可以发现,近一周以来无论武汉、湖北省还是全国范围内的R0都呈明显下降趋势,标志着新冠肺炎的传播能力已经被大力削弱。由于新冠肺炎在武汉市内的传播时间更长,所以R0近期已经趋于稳定。但是,仍然需要注意全国范围的R0值仍然大于1,尤其是武汉的R0值还在2附近,所以近期会持续新增确诊病例,疫情的防控压力仍然很大

 

第三:新冠肺炎疫情的未来发展趋势是什么?可能的拐点在什么时候?



为了回答这个问题,我们构建了一个经典的传染病模型—SEIR模型(见图3)。该模型将人群总体划分为四个人群:易感人群(Susceptible),暴露人群(Exposure),感染人群(Infective)和治愈人群(Recovered)。易感人群指未得病者,但与感染者接触后容易受到感染;暴露人群表示与感染者有过接触且处于传染病潜伏期的人群;感染人群则指染上传染病的人;治愈人群是因病愈或死亡而不再参与感染和被感染过程的人。SEIR模型通过一组微分方程和多个参数来描述以上四个人群之间的转移过程。

 

图 3 SEIR模型

 

下面我们分别针对武汉市、湖北省(除武汉以外)以及全国(除湖北以外)的新冠肺炎的确诊人数进行建模和预测,结果如下图所示:


图 4 新冠肺炎累积感染病例数预测结果

 

表 1 模型预测累积感染数结果


图3和表1中分别展示了2月5日前后的真实确诊数和未来三天内的累积感染病例数的预测结果。可以看出,在全国范围内,虽然感染病例数会持续上升,但增长趋势逐渐变缓。另外,我们的模型预测在2月中下旬,全国的感染病例总数将达到峰值(约为6.3万人,其中武汉市感染人数2.3万,湖北省其他城市感染人数2.3万,全国其他省份感染人数1.6万)。随着当前的各种防控措施效果开始逐渐显露、治愈率的提升以及新冠肺炎传播能力进一步降低,这个拐点可能会提前到来。但同时还需要注意,在未来一周内,全国各地的企事业单位逐渐复工,尤其是北京、上海等大型城市会迎来大量外部人口,这些城市的疫情仍然存在恶化的可能性。(本文内容由中科闻歌认知计算部孔庆超、王宇琪、苑霸、张佳旭、郭建彬、王婧宜提供)

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